2.4.Способы обнаружения точки эквивалентности

Индикаторы. Для фиксирования конца титрования используют визуальные (титрование индикатором, цветным или флуоресцентным) и инструментальные методы (потенциометрическое, амперометрическое, фотометрическое титрование). Цветные индикаторы и кислотно-основном титрование - это слабые органические кислоты и основания, протонированные и непротонированные формы которых различаются по структуре и окраске. Существуют одноцветные (например, фенолфталеин) и двухцветные (например, метиловый оранжевый) индикаторы.

Изменение окраски индикатора связано с таутомерией органических молекул, содержащих хромофор. Такие соединения обладают подвижными π-электронами, и в зависимости от распределения электронной плотности молекуле можно приписать несколько структур; предельные структуры называются таутомерами. на распределение электронной плотности влияет наличие ауксохромных групп(например, NH₂ , OH^- и т.п.). Ауксохромы связаны с ненасыщенным углеродным скелетом хромофора так, что положение двойных связей изменяется. Разность энергий основного и возбужденного ( под действием света) состояний таких веществ мала, поэтому молекула поглощает свет в видимой части спектра, и вещество имеет определенную окраску. Например, метиловый оранжевый в щелочной среде окрашен в желтый цвет (хромофор -N=N-). В кислой среде азот, содержащий неподеленную пару электронов, протонируется, при этом образуется сопряженная система таутомеров

Цепь сопряжения в таутомере II, а следовательно, и подвижность π-электронов увеличивается, в результате энергия возбуждения молекулы уменьшается и свет поглощается в красной области сектора. Метиловый оранжевый - двухцветный индикатор. Он относится к классу азоиндикаторов, имеющих в кислой среде красную, а в щелочной среде желтую окраску. Сюда относятся также метиловый красный

Однако существуют соединения, не содержащие хромофоров, у которых под влиянием среды структура изменяется так, что появляются хромофорные группы. Таковы фталеины. Например, фенолфталеин в кислой среде бесцветен. В щелочной среде в результате перераспределения электронной плотности в его молекуле образуется хиноидная структура (хромофор), находящаяся в равновесии со своей таутомерной формой. Вещество приобретает красную окраску.

Группу индикаторов, схожую с фталеинами, составляет сульфофталеины: бромкрезоловый зеленый, феноловый красный, тимоловый синий и другие соединения. Например, в растворе фенолового красного в равновесии находятся красная и желтая формы.

Отдельную группу составляют трифенилметановые красители: кристаллический фиолетовый, метиловый фиолетовый, малахитовый зеленый и др.Известно большое число разных кислотно-основных индикаторов, сведения о которых есть в литературе.

Схематически (опуская промежуточные формы) равновесие в растворе индикатора можно представить как кислотно-основную реакцию

HIn+H₂O = In^- +H₃O⁺

Из константы кислотности индикатора, пренебрегая влиянием ионной силы и побочными взаимодействиями, получаем

Человеческий глаз воспринимает окраску одной из форм при определенной концентрации ее в растворе. Для двухцветного индикатора присутствие одной из форм заметно, если концентрация ее в несколько раз превышает концентрацию другой формы. Пусть глаз замечает форму In^- при и формуHIn при . Тогда в интервале рН отдоглаз будет видеть смешанную окраску обеих форм, а за пределами этого интервала – чистую окраску одной из форм. Этот интервал называютинтервалом перехода окраски индикатора:

Очевидно, что, если глаз улавливает окраску одной из форм на фоне другой при большем или меньшем соотношении, ΔрН будет другим. Чем меньше интервал , тем ценнее индикатор.

Для одноцветных индикаторов при изменении рН нарастает или уменьшается концентрация окрашенной формы. При определенной концентрации глаз замечает появление или исчезновение окраски. Пусть окрашенная форма In^-. Тогда рН, при котором появляется окраска, можно выразить так:

.

Как видно, рН появления окраски зависит от концентрации индикатора в растворе.

К индикаторам предъявляют ряд требований:

1.Индикатор должен обладать высоким светопоглащением так, чтобы окраска даже его небольшого количества была заметна для глаза. Большая концентрация индикатора может привести к расходу на него титранта.

2.Переход окраски должен быть контрастным.

3.Область перехода окраски должна быть как можно уже.

Середина области перехода окраски индикатора (при этом ) называется показателем индикатора (рТ) и фактически отождествляется с конечной точкой титрования. Выбирают индикатор для титрования так, чтобы область перехода входила в скачок титрования. Границы скачка титрования определяются заданной точностью. Чем жестче требования к точности титрования, тем уже скачок, тем более ограничен выбор индикатора.

Для сужения области перехода окраски и увеличения контрастности применяют смешанные индикаторы, которые составляют из индикатора и красителя. при определенном значении рН цвет красителя является дополнительным к цвету индикатора - в результате в этой точке окраска будет серой, а переход от окрашенного раствора к серому - контрастным.

На область перехода окраски индикатора (положение и интервал) влияет все факторы, от которых зависит константа равновесия (ионная сила, температура, посторонние вещества, растворитель), а также концентрация индикатора.